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LED技术-白光发光二极管的技术现状

元富资讯（亚洲）集团有限公司 发布时间：2007-05-25 17:18

发光二极管（LED）是一种将电能转换为光能的固体电致发光（EL）器件。关于固体发光最早可追溯到1923年，但当时并未引进人们的足够重视。后来，随着固体物理和现代技术的发展以及对全固体光源的需求，固体EL先后取得了一系列应用技术上的突破。1964年世界上第一只红色Ⅲ-Ⅴ族GaAsP-LED诞生，预示着固体发光时代的来临。不久，橙色、黄色和黄绿色LED也相继问世，实现了在波长940~540nm范围内发光的全固化，遗憾的是实现全色显示的蓝光一直未能得到。二十世纪七十年代，LED产业迎来了蓬勃发展的春天，在大屏幕显示、交通信号灯和仪器仪表指示等领域得到广泛应用，并随着家用电器进入人们的生活。1994年，氮化镓基蓝、绿光AlGaInN-LED的出现是LED发展史上的又一里程碑，使户外全色显示和半导体照明成为可能。氮化镓基发光器件具有全固体、冷光源、寿命长、体积小、光效高、响应速度快、耐侯性好等优点，在国民经济的众多领域具有广泛的应用前景，已引起科技界和产业界的极大关注，成为半导体领域新崛起的研究热点和经济生长点。白光LED点燃了真正"绿色照明"的光辉，被认为是21世纪最有价值的新光源，将取代白炽灯和日光灯成为照明市场的主导，使照明技术面临一场新的革命，从而一定程度上改善人类的生产和生活方式。
目前，LED产业竞争的焦点集中在白光LED、蓝、紫光LD以及大功率高亮度芯片。白光LED是继白炽灯和日光灯之后的第三代电光源，已成为世界各地光源和灯具研究机构竞相开发、努力获取的目标，是未来照明领域的明星行业。白光LED的能耗仅为白炽灯的1/8，荧光灯的1/2，其寿命可长达10万小时，对于普通家庭照明可谓"一劳永逸"。同时还可实现无汞化，回收容易，这对于环境保护和节约能源具有重要意义。因此各国政府均给予大力扶持。美、日、欧盟等发达国家皆由政府成立专项，编列预算与计划推行：日本的"21世纪的光照明"计划，时间是从1998年~2002年，将耗费50亿日元推行半导体照明，目标是在2006年用白光LED替代50%的传统照明；美国的"国家半导体照明计划"，时间是从2000年~2010年，计划投资5亿美元；欧盟的"彩虹计划"，已在2000年7月启动，通过欧共体的资助，推广应用白光LED。目前，世界上掌握LED技术的新兴半导体企业纷纷和老牌灯泡制造商联手，抢占这个未来最大的照明市场。譬如美国HP联合了日本Nichia和德国Siemens；美国Cree、德国Siemens又和Osram联合；美国EMCORE和GE联合；日本的Toshiba和Honda联合等，其中Osram和GE公司都是世界著名的灯泡制造巨商。近年来，我国台湾地区在LED产业上异军突起，在白光LED市场上也占据一席之地。国内在"863"计划新材料领域的资助下，LED产业取得了重大的进展，氮化镓基半导体材料和器件首先在深圳方大集团股份有限公司实现产业化，并走集约化经营的道路，确立了白光GaN-LED的研究项目。一些科研院所，如中国科学院物理所和长春光机与物理所、北京大学、北京有色金属研究院、石家庄十三所等单位也相继开展了这方面的研究工作。目前已取得了可喜的进步，正在缩短与国际先进水平的差距。眼下市场上的白光LED大都是国内LED厂家采用进口芯片和荧光粉自行封装的。由于技术力量和自主开发能力薄弱，蓝光芯片的选用和白光LED的性能受到一定限制和影响。
目前，半导体照明灯已逐渐对传统照明灯具发起了挑战，已有几家著名公司先后推出此类光源样品。获取白光的途径大致可分为以下三种：光转换型、多色组合型、多量子阱型。光转换型是通过荧光物质将LED的蓝光或紫光转变为波长较长的黄光或红、绿光，利用RGB三原色原理复合成白光。最早的白光LED样品是1996年Nichia公司运用GaN-LED发出的蓝光激励黄色荧光粉，通过光的复合得到的。目前，该公司产品的主要性能指标，如亮度、光效、显色指数等仍处于行业领先地位，其产品发光强度达到5.6cd（20mA），显色指数Ra>85，色温为3000-6500K，色坐标为（0.31, 0.32），已接近日光，完全可与目前广泛使用的高性能的三波长型日光灯相媲美。白光LED使用的荧光粉因要求与LED的蓝光匹配，否则将出现光转换效率不高、白光不纯等现象。台湾的亿光电子工业股份有限公司的孙宗鼎等人（CN 2395133Y）研制了一种 (Y1-p-xCepGdx)3Al5O12（0 P 0.05，0 x 1）黄色荧光粉，通过调整配方可以配合波长在430~470nm范围内的蓝光光源，产生高纯度的白光。美国GE公司1999年11月开发的RGB三波长型产品，色温为3000~6500K，显色指数为83~87，发光效率达到10~20lm/W（CN 1289456A）。此外，还有美国HP（USP 5,959,316）、德国Simens（CN 1228873A）、philips（USP 5,813,753）、日本Toshiba与Honda等单位也有各自的产品推出。其中所使用的光转换物质大都含有稀土元素，如钇铝石榴石（YAG:Ce）或碱土金属硫化物、硼酸盐、硅酸盐、矾酸盐掺杂稀土的荧光体，也有用有机染料或金属螯合物。这种通过蓝光LED得到白光的方法，构造简单、成本低廉、技术成熟度高，因此运用最多。
多色组合型是将三个或三个以上不同光色的LED按一定的方式排布，集合成一个发白光的标准模块。1997年10月，美国GE公司通过选择至少三个以上适当波长的LED，组合成可用于普通照明的白光系统，其最佳颜色再现指数Ra > 85（CN 1185042）。philips公司1999年9月推出的类似样品，发光效率超过30lm/W，显色指数Ra > 60（CN 1289397A，USP 6,234,645）。对于这种多芯片的白光发射器件，可以通过控制不同LED所加电流，随意调节出令人赏似悦目的白光。这种获取白光途径简单易行，发光亮度高。缺点是个别单色LED劣化将导致光色不纯或不均匀；同时，成本相对较高，控制电路复杂。
多量子阱型是在芯片发光层的生长过程中，掺杂不同的杂质以制造结构不同的量子阱，通过不同量子阱发出的多种光子复合直接发出白光。1998年8月，中国台湾的陈金源等人（CN 1245352A）在p-n结二极管中生长量子阱结构，通过调变晶体取向生长时的温度、压力、氨气流量、载气比例、掺杂硅镁杂质等，在特定的参数范围内使量子阱结构发射出不同能量的光子，调变出白光。该方法提高发光效率，可降低成本，降低包装及电路的控制难度；但技术难度相对较大。
此外还有类似光转换型的所谓"光子再循环"。日本Sumitomo Electric在1999年1月研制出ZnSe材料的白光LED。其技术是先在ZnSe单晶基底上生长一层CdZnSe薄膜，通电后该薄膜发出的蓝光与基板ZnSe作用发出互补的黄光，从而形成一白光光源。美国Boston大学光子研究中心用同样的方法在蓝光GaN-LED上叠放一层AlInGaP半导体复合物，也生成了白光。
由于技术、工艺、生产成本等因素的影响，目前应用最多的是光转换型，其次是多色组合型。以发展的眼光来看，多量子阱型和"光子再循环"当是未来的发展趋势。但由于技术的限制，生长不同结构的量子阱相对困难得多，在短时间内还不能产业化。此外，近年来有机（或聚合物）电致发光器件（OEL）也渐露端倪，表现出强劲的发展势头。如吉林大学的谢志元等人（CN 1070315C）在1998年11月研制出一种有机多量子阱白光电致发光器件，以红、绿和蓝三种不同的有机染料为量子阱发光层，从不同的阱中发出的红、绿、蓝三色光混合成白光。它可以不考虑各发光层之间的能级匹配问题，这样有利于提高器件的发光效率。
美国《激光世界》曾撰文称：到2025年白光LED将占照明工具市场的55%以上份额。业内人士预计2005-2010年全球LED照明市场规模将逾10亿美元。国外也有报道称：5年后半导体灯将替代20%的白炽灯。这个估计可能比较乐观，但揭示了半导体灯未来的应用前景和增长潜力。据PIDA统计：若台湾25%的白炽灯和全部日光灯被白光LED取代，每年可节省110亿度电力，相当于一座核电站的供电能力。由于照明消耗占整个电力消耗的20%，全球每年使用这种新光源所节省的电能达1000亿美元，因此大力发展白光LED技术将是保护环境和节省能源的一个有效途径。
目前半导体照明灯在普及的道路上主要存在价格的障碍，但其较高的性价比大大弥补了这一不足，现已在某些领域，如信号灯、矿灯、户外显示等已逐渐得到推广应用。此外，其发光效率和使用寿命还有待提高，光色还需进一步调整以更接近日光，这些都是目前亟待和正在解决的问题。随着科技的不断发展，这些"路障"将会很快消除，"绿色照明"的半导体灯走入寻常百姓家中只是时间问题。那时黑夜犹如白昼，人们的生活将更加美好！

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